java关键之-volatile解析

 

volatile关键字，熟悉的朋友应该能总结到该关键字的特征如下：

　　1.保证可见性、但不保证原子性

　　2.禁止指令重排

在这里有一些理论的概念需要理解清楚，什么是可见性、原子性？

　　这一部分的内容其实涉及到Java内存模型（JMM），什么是JMM？本质上可以理解为JVM规范了如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。

　　在这之前我们知道并发编程bug的源头有：CPU缓存带来的可见性问题、线程切换带来的原子性问题和编译优化带来的有序性问题。

　　背景：随着科技的不断发展，我们的cpu、内存、I/O设备都在不断迭代，变得越来越快，但是有一个核心的矛盾存在，就是这三者的速度差异。从速度上来说，cpu > 内存 > I/O,但是根据木桶原理（一只水桶能装多少水是取决于最短的那块木板），程序整体的性能是取决于最慢的操作-比如读写I/O设备。为了合理利用CPU的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系机构、操作系统、编译程序都作出了贡献，主要表现为：

• CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡了CPU与I/O设备的速度差异
• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理的利用

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，称之为可见性。

 

 

 

原子性：可以理解为一个操作要么全部完成，否则全部失败。

 

举个案例：代码中常见的cont + 1操作，其实实现起来分为三部，

　　指令 1：首先，需要把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；

　　指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；

　　指令 3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

在多线程的情况下，线程A可能执行了步骤1、cpu时间片切换到了线程B开始执行，导致count=1写入到内存中，线程A再此执行count+1=1,将线程内缓存写入到主内存中，结果被覆盖了

 

有序性：编译器了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。

例如程序中”a = 6;b =7”,可能会变成”b = 7;a =6” 这样可能会导致意想不到的BUG。

一个经典的java案例就是利用双重检查创建单例对象：

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

 

在多线程调用时会存在问题，问题出在new操作上。

• a. 给singleton分配内存
• b. 在内存中初始化singleton对象
• c. 将内存地址赋给singleton变量

目前多采用静态内部类无锁的单例模式

public class Singleton {
    private Singleton(){};
 
    static class innerHolder{
        private  static  Singleton instance = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance(){
        return innerHolder.instance;
    }
}

 

特点：静态内部类实现单例模式，既能保证延迟加载，又能保证线程安全，只创建一个实例对象。

原理解析：Singleton类初始化的时候不会加载所有的类，只有第一次访问静态内部类的时候才会进行初始化操作。

虚拟机会保证一个类的 clinit() 方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同事去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的 clinit() 方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 clinit() 方法执行完毕。具体可以参考《JVM-类加载机制》，这里不再深入。